计算机科学教育有效助力STEM教育实践

李军

【摘要】STEM教育通过项目式学习，是培养团队合作、批判性思维、技术运用综合能力，培养核心素养的最好载体，强调学生在真实任务中，通过动手实践学习，日益受到各国重视。但目前而言，计算机科学教育，特别是计算思维的培养，在STEM教育中的作用却仍未得到足够的重视。本文通过计算思维能力培养和STEM能力培养的比较，发现它们都有助于发展相似能力。因此，重视和落实计算机科学教育，培养计算思维将有效助力STEM教育实践。

【关键词】计算机科学；计算思维；STEM教育；学科融合

毫无疑问，科学技术的进步不仅影响了我们的工作和生活方式，也影响了我们的思维和学习方式。思维模式和学习过程已经从一种单向知识传递转变为一种互动动态体验。在传统教学过程中，教师在课堂上的角色被视为知识的唯一传授者，而学生的角色则是被动的接受者。如今，我们的学习者不再是被动等待被教导的学习者，他们想要掌控自己的学习过程，学习者必须处于学习体验的中心。学习将成为一种知识重构，而仅仅是知识的传递。当学习者通过在他们实际参与现实生活中问题解决或制造一件艺术品的实践活动时，学习就会发生。

这种思维和学习方式的转变可能是近年来STEM教育和儿童编程教学都获得了广泛关注的原因之一。2015年，教育部在《关于“十三五”期间全面深入推进教育信息化工作的指导意见（征求意见稿）》中首次提出了“探索STEAM教育、创客教育等新教育模式”。虽然STEM教育的定义中包括了技术，但就当下而言，计算机科学仍是“STEM”中无声的“主角”，尚未引起足够的重视。虽然信息技术课程已经在我国中小学得到开设，但大部分地区的信息技术课程侧重于培养学生使用办公、绘图、音视频编辑、动画制作等软件的使用技能，而忽视了编程教学，计算思维的培养。因此，有必要充分认识到计算机科学与数学、科学以及工程和技术之间的紧密联系，进而用来支持和促进儿童在这些学科的学习。这为教育工作者提供了一个独特的机会，使他们能够整合各种活动，支持学习者发展他们多学科的知识和技能。

“STEM”一词是由美国国家科学基金会于2001年提出的，STEM 是科学（Science），技术（Technology），工程（Engineering），数学（Mathematics）的英文首字母缩略语。到目前为止，对STEM教育仍未有一个公认的定义，各个国家和地区及组织对其理解都不尽相同。近年来，STEM教育也出现了许多不同的扩张，例如，STEAM（科学、技术、工程、艺术和数学）、STREM（科学、技术、机器人、工程和数学）、eSTEM（环境、科学、技术、工程和数学）等等。但数学、生物学、化学、计算机科学和电子、通信和机械工程被确定为主要STEM学科。STEM教育旨在通过基于项目的学习和实践，将不同课程学科知识融会贯通，并能运用于实际生活中问题的解决。重点是培养学生的批判性思维、问题解决、逻辑推理、技术、沟通、协作，自学和创新能力 。

STEM教育让学生有机会在不同的情境中研究一个想法，并将学习与各学科有机联系起来。这种有目的学习整合不能仅仅被看作是跨课程学习，因为它要求学习者使用更高层次的策略来促进他们的创造性和批判性思维，以解决现实生活中的问题。他们需要能够利用自己的认知资源，通过综合实践活动组织、迁移、应用和评估他们在不同学科的知识和技能。此外，他们需要有能力掌控他们的学习过程，在这个过程中，仅仅掌握技能是不够的，学生在解决问题时，需要理解这些概念，成为技能方面的专家，然后知道何时以及何时将这些技能应用于新的情况。

计算机科学是研究计算机和计算过程是如何工作的，以及它们是如何设计的。计算机科学家创造了将信息和抽象转化为复杂模型系统的算法。对于一个计算机科学家来说，最重要的技能是解决问题，这包括确定问题，创造性地思考解决方案，以及设计一个清晰的解决方案。在创建程序和解决问题时，他们还使用诸如逻辑推理、问题分解、编码、测试、调试等方法。这些技能和方法的结合形成了另一种更高层次的技能，即计算思维。

卡内基-梅隆大学周以真教授将计算思维定义为：“运用计算机科学的基础概念进行问题求解、系统设计、以及人类行为理解等涵盖计算机科学之广度的一系列思维活动”。这是基于逻辑思维、算法思维和递归思维的能力，计算思维涉及到算法、抽象、迭代和概括等计算基础知识。它还包括逻辑推理、问题分解、测试、调试和可视化技巧。发展这些技能使学生能够在计算机及其他学科和日常生活中分析和解决问题。在建构主义教学方法的支持下，儿童与数字工具的互动为他们提供了一个发展计算思维的环境，因为它为实践和发展元认知、解决问题和推理技能提供了空间。

通过比较计算思维和STEM技能，我们可以发现它们都有助于发展相似的能力。我们将逻辑推理、批判性思维、创造性、沟通、合作和解决问题定义为STEM技能。这些技能也是计算思维的基础。逻辑思维是计算思维的重要组成部分。这一切都是用规则来解决问题。当我们在计算中思考逻辑时，我们实际上是在谈论逻辑思维和推理。如果我们给两个不同的孩子提出一个同样的问题，他们可能会用两种不同的方式来解决这个问题。他们会以不同的方式理解问题，提出不同的问题，并使用不同的策略来解决问题。因此，我们无法让这两个孩子以同样的方式进行编程。所以我们很难预测他们的解决方案或他们可能选择的方法。

学生通过设计解决方案、编码、测试代码来尝试解决问题。他们学会把复杂的问题分解成小的、可管理的部分，這样他们就能更容易地解决这些问题。他们认识到一系列问题的共同模式，并为类似的问题设计共同的解决方案。

计算思维在STEM教育实践中所凸显的优势有：

1.创造力。在编程时，学生用他们的设计、制作、想象和可视化技巧来创造出解决真实问题的方法。他们从设计开始，然后制作，最后评估他们和他们的伙伴的工作。创造力包括尝试原创的想法，而不仅仅是抄袭代码和指令。例如，当使用Scratch程序创建游戏时，学生设计他们的精灵，创建他们的背景，并给他们的角色设计一系列动作。

2.合作。根据苏联心理学家维果斯基的最近发展区理论，合作学习、交流互动是学习和发展的核心。团队合作解决问题是非常有用的，特别是在处理复杂问题时，因为孩子们可以讨论各种可能的解决办法。“小组合作”被许多学校广泛使用，孩子们通过用共享的计算机编写代码，也为儿童分享和庆祝他们的工作成果提供了机会。

3.沟通。沟通是一项非常重要的技能，能够准确表达你的想法，并有效地与他人沟通。在编程时，孩子们有机会共同探讨他们正在解决的问题、所做的事情。他们向别人提出建议，提出问题，进行讨论等等。

计算机科学可以促进STEM教育的发展，因为这两个领域的学习都遵循类似的途径。例如，解决问题的能力对于STEM的学习是至关重要的，也是计算机科学不可或缺的一部分。在数学学科的学习中，学生开始通过理解问题来解决问题；他们设计了一种解决方法，并将其应用于解决问题，在必要时使用计算机或计算器等工具辅助解决。最后，对他们的解决方案进行评估。同样地，在科学学科领域，孩子们从提出问题开始，他们思考解决问题的方法，并通过测试他们的想法来研究不同的解决方案。最后，当他们完成调查后，通过讨论并得出结论并分享他们所做的事情。在编程中，学习者首先要理解任务和他们需要完成的任务，换句话说，就是问题。他们设计了一个算法来實现特定的任务，然后编写代码给计算机执行解决方案。

他们测试代码以确保其工作正常，并在发生错误时进行调试。他们与朋友分享他们的计划，并讨论他们的解决方案的有效性。在许多方面，编程可以被看作是应用数学和科学，因为它为学习者提供了一个使用迭代方法解决问题的环境。因此，计算机科学可以被看作是STEM的一门学科。

作为发展最快的STEM领域，计算机科学为教师提供了打开课程的机会，并为学生创造了一个平台，让他们通过亲自动手的项目来构建自己的知识体系。加强计算机科学教育，培养计算思维，将有效助力STEM教育实践。虽然这并不是一项容易的任务，它需要我们从整体上改变传统的教学方法。学校课程的设置需要有足够的灵活性，以便通过综合实践活动项目来适应跨学科学习。教师也需要对教学内容和知识体系有深入的理解，以设计出合理、高效的学习经验项目。他们需要了解自己和学生在这一学习周期中的作用，并让学生参与课程设计过程。精心设计的任务不仅为不同学科知识的学习提供了空间，也为学习者提供了一个连接跨学科知识以实现更深层次学习的空间。